CN113451091B - 具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管及相机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种条纹变像管及光学成像系统，具体涉及一种具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管及相机。解决目前研制的皮秒量级时间分辨条纹变像管很难同时实现大探测面积和高空间分辨率的问题，包括光电阴极、聚焦系统、偏转系统、阳极和荧光屏；光电阴极为球面光电阴极，聚焦系统为单透镜聚焦系统，荧光屏为球面荧光屏，本发明采用球面光电阴极、球面荧光屏结合单透镜聚焦系统结构，降低了条纹变像管的像差和空间弥散，同时实现大探测面积和狭缝方向的高空间分辨率，满足高精度诊断需求。

Description

具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管及相机
技术领域
本发明涉及一种条纹变像管及光学成像系统，具体涉及一种具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管及相机。
背景技术
条纹相机是激光惯性约束核聚变及非扫描成像激光雷达等皮秒量级时间分辨现象物理诊断不可或缺的测量元件。
在激光惯性约束核聚变实验中，高温高密度等离子体辐射的软X射线光谱范围很宽，经过光栅分光后其色散长度一般大于30mm，目前，要记录全部谱线，就需要沿狭缝方向不断移动相机进行扫描，会增大诊断误差。因而大探测视场的条纹变像管就成为高精度诊断的关键。
条纹相机的探测视场由光电阴极的探测面积和狭缝方向的空间分辨率共同决定，光电阴极的探测面积越大，狭缝方向的空间分辨率越高，相同精度要求下的探测视场就越大。
目前，针对如何提高条纹相机探测视场的问题，国内外研究工作者已进行了大量研究。其中，如，英国PHOTEK公司研制的ST-Y型条纹变像管，采用曲面光电阴极、狭缝栅极、曲面荧光屏以及浸没透镜聚焦系统结构，在扫描方向实现了50lp/mm的静态空间分辨率，但是其有效探测范围较低，为35mm×5mm。再如，日本滨松公司研制的N3831条纹变像管，虽然在狭缝方向实现了高于35lp/mm的静态空间分辨率，但其光电阴极有效探测面积较小，为25mm×15mm；再如，中国西安光学精密机械研究所研制的长狭缝条纹变像管，采用球面狭缝栅极与浸没透镜聚焦系统结构，在有效探测范围30mm×5mm内，在扫描方向实现了高于40lp/mm的静态空间分辨率，但是，其狭缝方向的静态空间分辨率较低，为25lp/mm。
综上，目前研制的条纹变像管很难同时实现大探测面积和高空间分辨率，难以满足高精度诊断需求。
发明内容
本发明的目的是针对目前研制的皮秒量级时间分辨条纹变像管很难同时实现大探测面积和高空间分辨率的问题，提供了一种具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管及相机，可同时实现大探测面积(有效工作面积大于Φ60mm)和狭缝方向的静态高空间分辨率(高于50lp/mm)，满足高精度诊断需求。
本发明专利的技术解决方案如下：
一种具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，包括光电阴极、聚焦系统、偏转系统、阳极和荧光屏；光电阴极用于将外界光学图像转换为电子图像；聚焦系统用于聚焦光电阴极发射的电子图像；扫描偏转系统用于将电子图像的时间信息转换为空间信息；阳极用于对电子加速；荧光屏用于将阳极输出的电子图像转化为可见光学图像；
其特殊之处在于：
上述光电阴极为球面光电阴极，还包括设置在球面光电阴极后端部的圆筒状电磁聚焦环，圆筒状电磁聚焦环的外半径等于球面光电阴极的最大外半径；
上述聚焦系统为单透镜聚焦系统，包括沿电子传播方向依次排布的第一聚焦电极，第二聚焦电极和第三聚焦电极，第一聚焦电极，第二聚焦电极和第三聚焦电极均为圆筒状电极，且内半径、外半径及轴向长度均相等；
上述阳极为锥形筒结构，小端为电子入口，在电子入口处设置有阳极孔；
上述荧光屏为球面荧光屏，且球面荧光屏的曲率半径等于阳极电子出口处锥形筒的半径；
上述光电阴极、第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极之间依次通过陶瓷环连接；
上述阳极嵌入聚焦系统内，阳极孔位于第二聚焦电极的电子出口处；第三聚焦电极与阳极之间通过陶瓷环连接；
上述偏转系统嵌入阳极内，偏转系统的电子入口靠近阳极孔，荧光屏与阳极的电子出口处连接。
进一步地，上述第一聚焦电极与第三聚焦电极的电势差为0V，上述第一聚焦电极与第二聚焦电极的电势差为3200V～4000V。
进一步地，上述光电阴极与第一聚焦电极的电势差为150V～250V。
进一步地，上述第三聚焦电极与阳极的电势差为14750V～14850V。
进一步地，上述偏转系统包括两个上下对称放置的平折板，平折板包括平行板与梯形倾斜板，平行板采用长方体结构，梯形倾斜板采用梯形结构。
进一步地，上述球面光电阴极的曲率半径为58mm～62mm，球冠高度为11mm～13mm，圆筒状电磁聚焦环沿光轴长度方向的尺寸为4mm～6mm；
上述第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极的内半径为35mm～45mm，厚度为0.5mm；沿光轴长度方向的尺寸为20mm～25mm；第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极之间的间距为3mm～6mm；第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极的长径比均为0.28～0.30；
上述扫描偏转系统两个上下对称放置的平折板中两个平行板的间距为3mm～4mm；
上述阳极的小端外半径为5mm～6mm，大端外半径为为40mm～50mm，厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为80mm～82mm；阳极孔的外半径为5mm～6mm，内半径为1.5mm～2.5mm；阳极电子出口对应的外半径为40mm～50mm；
上述荧光屏的曲率半径为40mm～50mm，沿光轴方向的长度为40mm～50mm。
进一步地，上述球面光电阴极的曲率半径为60mm，球冠高度为12mm，圆筒状电磁聚焦环沿光轴长度方向的尺寸为5mm；上述圆筒状电磁聚焦环的外半径为35.5mm；
上述第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极的内半径为40mm；沿光轴长度方向的尺寸为23.5mm；第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极之间的间距为4.5mm；
上述扫描偏转系统两个上下对称放置的平折板中两个平行板的间距为3.5mm；
上述阳极的小端外半径为5.5mm，大端外半径为45.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为81mm；阳极孔41的外半径为5.5mm，内半径为2mm；阳极电子出口对应的外半径为45mm；
上述荧光屏的曲率半径为45mm，沿光轴方向的长度为45mm。
本发明还提供一种条纹相机，其特殊之处在于：包括上述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用球面光电阴极、球面荧光屏结合单透镜聚焦系统结构，降低了条纹变像管的像差和空间弥散，同时实现大探测面积和狭缝方向的高空间分辨率，满足高精度诊断需求。
通过仿真计算，本发明条纹变像管在光电阴极有效探测面积Φ60mm的范围内，狭缝方向和扫描方向的静态空间分辨率均高于50lp/mm@MTF＝10％；扫描方向的空间分辨率达到270lp/mm@MTF＝10％以上；当全屏扫描时间为80ns时，动态空间分辨率高于10lp/mm@MTF＝10％。本发明同时具有大探测面积与高空间分辨率的优点，适用于条纹变像管成像激光雷达进行大视场、高精度探测；亦适用于对激光核聚变实验中等离子体辐射软X射线的宽光谱诊断。
2、本发明条纹变相管结构简单，易于装配，电压可调节性强。
本发明的聚焦系统采用聚焦能力强的单透镜聚焦系统，其中，第一聚焦电极与第三聚焦电极的电势差为0V，因此，只需调节第一聚焦电极与第二聚焦电极的电压，便可实现交叉点与聚焦点的良好调节。
附图说明
图1为具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管结构示意图；
图2为单透镜聚焦系统结构示意图；
图3为偏转系统结构示意图；
图4为离轴不同位置的点处发射的电子脉冲沿狭缝方向的静态空间调制传递函数；
图5为离轴不同位置的点处发射的电子脉冲沿扫描方向的静态空间调制传递函数；
图6为离轴不同位置处发射的电子脉冲沿狭缝方向的动态空间调制传递函数；
图7为间隔60ps，电子脉冲在荧光屏上的分布情况；
图8为间隔60ps，扫描方向电子几率分布曲线。
图中附图标记为：1-光电阴极，11-圆筒状电磁聚焦环，2-聚焦系统，21-第一聚焦电极，22-第二聚焦电极，23-第三聚焦电极，3-偏转系统，31-平行板，32-梯形倾斜板，4-阳极，41-阳极孔，5-球面荧光屏。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本发明具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管结构参见图1，包括光电阴极1、聚焦系统2、扫描偏转系统3、阳极4和荧光屏5。
光电阴极1包括球面光电阴极，靠近球面光电阴极的后端部设置有一个圆筒状电磁聚焦环11，圆筒状电磁聚焦环11的外半径等于球面光电阴极的最大外半径。聚焦系统2为单透镜聚焦系统，其结构如图2所示，由三个圆筒状电极组成，可将三个圆筒状电极沿电子传播方向依次定义为第一聚焦电极21，第二聚焦电极22和第三聚焦电极23，三个圆筒状电极的内半径、外半径及轴向长度均相等。光电阴极1与单透镜聚焦系统之间通过陶瓷环连接，具体为圆筒状电磁聚焦环11与第一聚焦电极21通过陶瓷环连接。聚焦系统2内的第一聚焦电极21，第二聚焦电极22和第三聚焦电极23依次通过陶瓷环连接。
扫描偏转系统3为平折型结构，其结构如图3所示，包括两个上下对称放置的平折板，平折板包括平行板31与梯形倾斜板32，平行板31采用薄片型长方体结构，梯形倾斜板32采用梯形结构。阳极4为锥形筒结构，小端为电子入口，在电子入口处设置有阳极孔41；荧光屏5为球面荧光屏，且球面荧光屏的曲率半径等于阳极4电子出口处锥形筒的曲率半径。阳极4与第三聚焦电极23之间通过陶瓷环连接；阳极4嵌入聚焦系统2内，阳极孔41位于第二聚焦电极22的电子出口处；偏转系统3嵌入阳极4内，偏转系统3的电子入口靠近阳极孔41，荧光屏5与阳极4的电子出口处连接。
第一聚焦电极21与第三聚焦电极23的电势差为0V，第一聚焦电极21与第二聚焦电极22的电势差为3200V～4000V。光电阴极1与第一聚焦电极21的电势差为150V～250V。第三聚焦电极23与阳极4的电势差为14750V～14850V。
球面光电阴极的曲率半径为58mm～62mm，可选60mm；球冠高度为11mm～13mm，可选12mm；圆筒状电磁聚焦环11沿光轴长度方向的尺寸为4mm～6mm，可选5mm，圆筒状电磁聚焦环11的外半径为35.5mm。第一聚焦电极21、第二聚焦电极22和第三聚焦电极23的内半径为35mm～45mm，可选40mm，厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为20mm～25mm，可选23.5mm；第一聚焦电极21、第二聚焦电极22和第三聚焦电极23之间的间距为3mm～6mm，可选4.5mm；第一聚焦电极21、第二聚焦电极22和第三聚焦电极23的长径比均为0.28～0.30。扫描偏转系统3两个上下对称放置的平折板中两个平行板31的间距为3mm～4mm，可选3.5mm。阳极4的小端外半径为5mm～6mm，可选5.5mm；大端外半径为为40mm～50mm，可选45.5mm；厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为80mm～82mm，可选81mm；阳极孔41的外半径为5mm～6mm为较佳，可选5.5mm，内半径为1.5mm～2.5mm，可选2mm。阳极电子出口对应的外半径为40mm～50mm，可选45mm。球面荧光屏5的曲率半径为40mm～50mm，可选45mm；沿光轴方向的长度为40mm～50mm，可选45mm。
本发明的具体工作过程为：外界瞬态超快光信号辐照到光电阴极1上时，由于外光电效应，光电阴极1的内表面会发射超快光电子脉冲。光电子脉冲的时间分布、空间分布及强度分布与入射超快光信号成一定的比例关系，可以看作入射光脉冲的复制品。在单透镜聚焦系统2的聚焦加速作用下，电子脉冲通过阳极孔进入加速阳极4、扫描偏转系统3，在线性时变扫描电场的作用下，完成超快时间信号向低速空间图像信号的转换，实现对外界辐照光信号的时间、空间(光谱)和光强等信息的记录。
通过下述过程评估条纹变像管的空间分辨率及探测面积：
首先需要计算条纹变像管内部的电磁场分布，追踪电子运行轨迹。采用三维电磁仿真软件，通过求解离散化的麦克斯韦方程计算条纹变像管的电磁场分布，由于离散化的麦克斯韦方程是在单个网格中计算电磁场分布的，因此，为了提高计算精度，在整个条纹变像管真空区域加密网格，使得数值计算结果尽量代表真实的电磁场分布，并追踪电子的运行轨迹。离散化电子运行轨迹，如式(1)、(2)所示：
Figure BDA0003076043910000061
Figure BDA0003076043910000062
其中，m和υ分别为电子质量和运行速度，
Figure BDA0003076043910000063
和/>
Figure BDA0003076043910000064
分别为条纹变像管内部的电场强度和磁场强度，/>
Figure BDA0003076043910000065
为光电子的离轴距离，n为网格数量。
其次，数值计算条纹变像管的时间分辨率与空间分辨率等性能参数。这就要求给出光电阴极上发射的光电子脉冲的初始状态分布情况。条纹变像管光电阴极受光辐照时，阴极出射的光电子既具有涨落性，又具有统计性。统计性给出了有用信息，使我们的测量结果有意义；而涨落性则产生了噪声，使我们的测量结果恶化，甚至没有意义。因此在数值计算时间、空间分辨率时，采用蒙特卡洛抽样方法进行抽样计算，可以同时获得光电阴极发射光电子这一随机过程的统计性和涨落性的全部信息。其中：
a)抽样电子的初始能量服从0～0.6eV(可见光阴极)或者0～2eV(X射线及紫外阴极)上的β(1,4)分布；
b)方位角服从0～2π范围内的均匀分布；
c)仰角服从0～π/2上的余弦分布；
d)初始位置服从均匀分布。
然后采用调制传递函数法确定条纹变像管的时间分辨率及空间分辨率参数。
在计算条纹变像管的静态空间分辨率时，扫描偏转系统的上、下极板均加载0电位。在光电阴极的内表面沿狭缝方向(即x方向)，每间隔5mm的位置处发射初始状态服从上述特定分布的光电子脉冲，追踪电子运行轨迹并统计其在荧光屏上的横向分布。定义空间调制传递函数曲线降至10％所对应的空间频率为空间分辨率。数值计算条纹变像管狭缝方向的空间调制传递函数曲线如图4所示，在光电阴极有效面积Φ60mm范围内，狭缝方向的空间分辨率高于50lp/mm@MTF＝10％；扫描方向的空间调制传递函数曲线如图5所示，在光电阴极有效面积Φ60mm范围内，扫描方向的空间分辨率高于270lp/mm@MTF＝10％。若取狭缝方向的空间分辨率高于50lp/mm，则单透镜静电聚焦系统条纹变像管的探测面积大于Φ60mm。
在计算条纹变像管的动态空间分辨率时，由于条纹变像管扫描方向的空间分辨率受时间弥散和空间弥散共同作用，狭缝方向的空间分辨率仅受空间弥散作用。因此，采用狭缝方向的空间调制传递函数来表征条纹变像管在动态工作模式下的空间弥散情况。数值计算时，偏转系统上、下极板之间加载时变线性斜坡电压，速度为0.15c(c为光速)，为了减小偏转散焦对空间分辨率的影响，使得扫描后的电子脉冲在荧光屏中心位置处成像，在扫描偏转系统上加载1500V预偏电压，方向与线性斜坡电压相反。追踪电子的运行轨迹并统计其在荧光屏上的空间分布，数值计算狭缝方向的动态空间调制传递函数如图6所示，在离轴25mm处，条纹变像管的动态空间分辨仍高于10lp/mm@MTF＝10％。
在计算条纹变像管的时间分辨率时，在光电阴极内表面中心处发射时间间隔为60ps，半高宽为100fs的窄电子脉冲序列。偏转系统上、下极板之间加载时变线性斜坡电压，速度为0.15c(c为光速)，在扫描偏转系统上加载1500V预偏电压，方向与线性斜坡电压相反。追踪电子的运行轨迹并统计其在荧光屏上的空间分布，如图7及图8所示。图7中为经扫描之后电子在荧光屏上的分布情况；图8中曲线为沿扫描方向的电子几率分布曲线，显然，曲线谷底位置对应的分布几率小于瑞利判据要求的0.7，因此，条纹变像管的时间分辨率优于60ps。

Claims (8)

1.一种具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，包括光电阴极(1)、聚焦系统(2)、偏转系统(3)、阳极(4)和荧光屏(5)；光电阴极(1)用于将外界光学图像转换为电子图像；聚焦系统(2)用于聚焦光电阴极(1)发射的电子图像；扫描偏转系统(3)用于将电子图像的时间信息转换为空间信息；阳极(4)用于对电子加速；荧光屏(5)用于将阳极(4)输出的电子图像转化为可见光学图像；
其特征在于：
所述光电阴极(1)为球面光电阴极，还包括设置在球面光电阴极后端部的圆筒状电磁聚焦环(11)，圆筒状电磁聚焦环(11)的外半径等于球面光电阴极的最大外半径；
所述聚焦系统(2)为单透镜聚焦系统，包括沿电子传播方向依次排布的第一聚焦电极(21)，第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)，第一聚焦电极(21)，第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)均为圆筒状电极，且内半径、外半径及轴向长度均相等；
所述阳极(4)为锥形筒结构，小端为电子入口，在电子入口处设置有阳极孔(41)；
所述荧光屏(5)为球面荧光屏，且球面荧光屏的曲率半径等于阳极(4)电子出口处锥形筒的半径；
所述光电阴极(1)、第一聚焦电极(21)、第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)之间依次通过陶瓷环连接；
所述阳极(4)嵌入聚焦系统(2)内，阳极孔(41)位于第二聚焦电极(22)的电子出口处；第三聚焦电极(23)与阳极(4)之间通过陶瓷环连接；
所述偏转系统(3)嵌入阳极(4)内，偏转系统(3)的电子入口靠近阳极孔(41)，荧光屏(5)与阳极(4)的电子出口处连接。
2.根据权利要求1所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，其特征在于：所述第一聚焦电极(21)与第三聚焦电极(23)的电势差为0V，所述第一聚焦电极(21)与第二聚焦电极(22)的电势差为3200V～4000V。
3.根据权利要求2所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，其特征在于：所述光电阴极(1)与第一聚焦电极(21)的电势差为150V～250V。
4.根据权利要求3所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，其特征在于：所述第三聚焦电极(23)与阳极(4)的电势差为14750V～14850V。
5.根据权利要求1-4任一所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，其特征在于：所述偏转系统(3)包括两个上下对称放置的平折板，平折板包括平行板(31)与梯形倾斜板(32)，平行板(31)采用长方体结构，梯形倾斜板(32)采用梯形结构。
6.根据权利要求5所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，其特征在于：所述球面光电阴极的曲率半径为58mm～62mm，球冠高度为11mm～13mm，圆筒状电磁聚焦环(11)沿光轴长度方向的尺寸为4mm～6mm；
所述第一聚焦电极(21)、第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)的内半径为35mm～45mm，厚度为0.5mm；沿光轴长度方向的尺寸为20mm～25mm；第一聚焦电极(21)、第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)之间的间距为3mm～6mm；第一聚焦电极(21)、第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)的长径比均为0.28～0.30；
所述扫描偏转系统(3)两个上下对称放置的平折板中两个平行板(31)的间距为3mm～4mm；
所述阳极(4)的小端外半径为5mm～6mm，大端外半径为40mm～50mm，厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为80mm～82mm；阳极孔(41)的外半径为5mm～6mm，内半径为1.5mm～2.5mm；阳极电子出口对应的外半径为40mm～50mm；
所述荧光屏(5)的曲率半径为40mm～50mm，沿光轴方向的长度为40mm～50mm。
7.根据权利要求6所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管，其特征在于：所述球面光电阴极的曲率半径为60mm，球冠高度为12mm，圆筒状电磁聚焦环(11)沿光轴长度方向的尺寸为5mm；所述圆筒状电磁聚焦环(11)的外半径为35.5mm；
所述第一聚焦电极(21)、第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)的内半径为40mm；沿光轴长度方向的尺寸为23.5mm；第一聚焦电极(21)、第二聚焦电极(22)和第三聚焦电极(23)之间的间距为4.5mm；
所述扫描偏转系统(3)两个上下对称放置的平折板中两个平行板(31)的间距为3.5mm；
所述阳极(4)的小端外半径为5.5mm，大端外半径为45.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为81mm；阳极孔(41)的外半径为5.5mm，内半径为2mm；阳极(4)电子出口对应的外半径为45mm；
所述荧光屏(5)的曲率半径为45mm，沿光轴方向的长度为45mm。
8.一种条纹相机，其特征在于：包括权利要求1-7任一所述的具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管。
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超小型条纹管的动态特性研究;惠丹丹;田进寿;王俊锋;卢裕;温文龙;徐向晏;;物理学报(第01期);全文 *

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